(57)【要約】      （修正有）【課題】酸素製造及び酸化のための改良された膜モジュール及び容器を含むシステムの提供。【解決手段】（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、（ｂ）この圧力容器の内部に配置され且つ直列に配列された複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、各膜モジュールが混合金属酸化物セラミック材料を含みそして内部領域と外部領域を有し、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び（ｃ）当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、を含むイオン輸送膜システム。このイオン輸送膜システムは、酸素含有ガスから酸素を回収するためのガス分離装置で、あるいは膜モジュールの混合金属酸化物セラミック材料を透過した酸素により原料ガス流中の化合物を酸化するための酸化反応器として、利用することができる。【選択図】図４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）この圧力容器の内部に配置され且つ直列に配列された複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、各膜モジュールが混合金属酸化物セラミック材料を含みそして内部領域と外部領域を有し、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を含むイオン輸送膜システム。
【請求項２】
各平面状膜モジュールが平面的な平行表面を有する複数のウエハを含み、前記圧力容器が円筒状であり、そして上記ウエハの平面的平行表面の一部又は全部に平行な軸線を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを更に含み、この流れを閉じ込めるダクトは前記複数の平面状イオン輸送膜モジュールを取り囲み、且つ前記圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
（１）前記１以上のガスマニホールドが入口マニホールドと出口マニホールドを含み、
（２）平面状膜モジュールの前記内部領域が第２の入口マニホールドを介して上記入口マニホールドと流動を通じて連通し、且つ第１の出口マニホールドを介して上記出口マニホールドと流動を通じて連通し、そして
（３）前記流れを閉じ込めるダクト内で、平面状膜モジュールの上記第２の入口マニホールドと上記第１の出口マニホールドが一緒にされて入れ子のマニホールドを形成している、
請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記流れを閉じ込めるダクトが、鉄と、ニッケル及びクロムからなる群より選ばれる１種以上の元素とを含有する、耐酸化性の合金を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記１以上のガスマニホールドを前記圧力容器の内部に配置する、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記１以上のガスマニホールドを前記圧力容器の外部に配置する、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記１以上のガスマニホールドを内側、外側、又は内側と外側で断熱する、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記平面状イオン輸送膜モジュールのうちの少なくとも２つがモジュールの軸線を定め、そして前記圧力容器が円筒状であり、且つ当該モジュールの軸線に対して平行な軸線を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記平面状イオン輸送膜モジュールのうちの少なくとも２つがモジュールの軸線を定め、そして前記圧力容器が円筒状であり、且つ当該モジュールの軸線に対して垂直な軸線を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記圧力容器の内部に配置される断熱材を更に含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
前記断熱材が前記圧力容器の内表面と前記膜モジュールとの間の領域に配置され、前記断熱材が前記膜モジュールを取り囲む空洞を形成し、そしてこの空洞が前記圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する、請求項１１記載のシステム。
【請求項１３】
前記断熱材が前記圧力容器の内表面と接触する、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記断熱材が前記圧力容器の内表面と接触しない、請求項１２記載のシステム。
【請求項１５】
前記圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを更に含み、前記平面状イオン輸送膜モジュールがこのダクト内に配置され、そして前記断熱材が前記圧力容器の内表面と当該ダクトの外表面との間に配置される、請求項１１記載のシステム。
【請求項１６】
前記断熱材が、
（ａ）前記圧力容器の内表面と接触し前記ダクトの外表面と接触せず、又は
（ｂ）前記圧力容器の内表面と接触し且つ前記ダクトの外表面と接触し、又は
（ｃ）前記圧力容器の内表面と接触せず且つ前記ダクトの外表面と接触せず、又は
（ｄ）前記圧力容器の内表面と接触せず前記ダクトの外表面と接触する、
請求項１５記載のシステム。
【請求項１７】
前記圧力容器の内部に配置され前記圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する、流れを閉じ込めるダクトを更に含み、前記平面状イオン輸送膜モジュールが当該ダクト内に配置され、前記断熱材が当該ダクトの内表面と前記膜モジュールの間に配置され、そして前記断熱材が、前記膜モジュールを取り囲み且つ前記圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する空洞を形成している、請求項１１記載のシステム。
【請求項１８】
前記圧力容器の外部の周囲に断熱材を更に含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項１９】
前記１以上のガスマニホールドが金属を含み、そして前記イオン輸送モジュールがセラミックを含み、当該１以上のガスマニホールドと当該モジュールとの接続部がセラミックと金属とのシールを含み、そしてこのセラミックと金属とのシールが断熱材で取り囲まれる、請求項１１記載のシステム。
【請求項２０】
前記断熱材が、繊維状のアルミナ、繊維状のアルミナシリケート、多孔質のアルミナ、多孔質のアルミナシリケートからなる群より選ばれる１種以上の材料を含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項２１】
前記断熱材が、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化銅、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化ストロンチウム、及びアルカリ土類含有ペロブスカイトからなる群より選ばれる１種以上の材料を含む、請求項１１記載のシステム。
【請求項２２】
前記圧力容器の入口と第１の膜モジュールとの間に配置される保護床を更に含む、請求項１記載のシステム。
【請求項２３】
前記保護床が、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化銅、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化ストロンチウム、及びアルカリ土類含有ペロブスカイトからなる群より選ばれる１種以上の材料を含有する、請求項２３記載のシステム。
【請求項２４】
（ａ）おのおのが内部、外部、入口及び出口を有する、１以上の追加の圧力容器、
（ｂ）当該１以上の圧力容器のおのおのの内部に配置され直列に配列される複数の平面状イオン輸送膜モジュールであり、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含み、且つ内部領域と外部領域を有する複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）上記膜モジュールの内部領域及び上記圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を更に含み、当該圧力容器のうちの少なくとも２つは１つの圧力容器の出口が別の圧力容器の入口と流動を通じて連通するように直列に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項２５】
（ａ）おのおのが内部、外部、入口及び出口を有する、１以上の追加の圧力容器、
（ｂ）当該１以上の圧力容器のおのおのの内部に配置され直列に配列される複数の平面状イオン輸送膜モジュールであり、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含み、且つ内部領域と外部領域を有する複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）上記膜モジュールの内部領域及び上記圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を更に含み、当該圧力容器のうちの少なくとも２つは１つの圧力容器の入口及び別の圧力容器の入口が共通の原料導管と流動を通じて連通するように並列に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項２６】
前記圧力容器の内部に配置され直列に配列される追加の複数の平面状イオン輸送膜モジュールを更に含み、前記複数の平面状イオン輸送膜モジュールと当該追加の複数の平面状イオン輸送膜モジュールが平行な軸線上に位置する、請求項１記載のシステム。
【請求項２７】
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）当該圧力容器の内部に配置された複数の平面状イオン輸送膜モジュールであり、おのおのが２以上の並列モジュールを含む直列のモジュールの列に配列されていて、おのおのの膜モジュールが混合金属酸化物セラミック材料を含み、且つ内部領域と外部領域を有する複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）上記膜モジュールの内部領域及び上記圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を含むイオン輸送膜システム。
【請求項２８】
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）当該圧力容器の内部に配置され直列に配列された複数のイオン輸送膜モジュールであり、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含み且つ内部領域と外部領域を有する複数のイオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数のイオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）当該圧力容器の内部に配置され当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を含むイオン輸送膜システム。
【請求項２９】
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）当該圧力容器の内部に配置された膜の積重体又はモジュールアセンブリであり、混合金属酸化物セラミック材料を含む複数の平面的ウエハであっておのおのが内部領域と外部領域を有する複数の平面的ウエハと、複数の中空セラミックスペーサとを有する膜の積重体又はモジュールアセンブリであって、当該積重体又はモジュールアセンブリが交互のウエハとスペーサにより、ウエハの内部が中空スペーサを介して流動を通じて連通するように形成され、ウエハが互いどうし平行に配向され、そして交互のスペーサとウエハが同軸に配向されてウエハが積重体又はモジュールの軸線に対して垂直になるよう積重体又はモジュールを形成している、膜の積重体又はモジュールアセンブリ、
（ｃ）当該圧力容器の内部の膜の積重体又はモジュールアセンブリの周囲に配置されたガスマニホールドシュラウドアセンブリであって、当該積重体又はモジュールを少なくとも第１のウエハゾーンと第２のウエハゾーンとに分離し、当該圧力容器の入口を第１のウエハゾーンのウエハの外部領域と流動を通じて連通させ、第１のウエハゾーンのウエハの外部領域を第２のウエハゾーンのウエハの外部領域と流動を通じて直列に連通させるガスマニホールドシュラウドアセンブリ、
を含むイオン輸送膜システム。
【請求項３０】
前記ガスマニホールドシュラウドアセンブリにより形成された複数の追加のウエハゾーンを更に含み、前記シュラウドアセンブリが当該追加のウエハゾーンを互いどうし流動を通じて直列に連通させ、そして当該追加のウエハゾーンのうちの１つが前記圧力容器の出口と流動を通じて連通する、請求項２８記載のイオン輸送膜システム。
【請求項３１】
（ａ）次の（１）〜（３）を含むイオン輸送膜分離器システムを用意すること、
（１）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（２）この圧力容器の内部に配置され直列に配列された、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含みそして内部領域と外部領域を有する、複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、
（３）当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
（ｂ）加熱した昇圧酸素含有原料ガス流を供給し、この原料ガス流を圧力容器入口を通し上記膜モジュールの外部領域へ導入し、そして当該原料ガス流を上記混合金属酸化物セラミック材料と接触させること、
（ｃ）上記混合金属酸化物セラミック材料を通して酸素イオンを透過させ、上記膜モジュールの内部領域で高純度の酸素ガス製品を回収し、そしてこの高純度酸素ガス製品を膜モジュールの内部領域から上記ガスマニホールドを通し上記圧力容器の外部へ抜き出すこと、及び
（ｄ）酸素の減少した酸素含有ガスを圧力容器出口から抜き出すこと、
を含む、酸素含有ガスから酸素を回収するための方法。
【請求項３２】
前記酸素含有原料ガスの圧力が前記高純度酸素ガス製品の圧力よりも高い、請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記イオン輸送膜分離器システムが、内部と外部を有し且つ前記圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを更に含み、そしてこの流れを閉じ込めるダクトが前記複数の平面状イオン輸送膜モジュールを取り囲み、そして前記圧力容器の入口及び出口と前記酸素含有原料ガスが当該流れを閉じ込めるダクトの内部を通過するように流動を通じて連通する、請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
前記圧力容器の入口と出口の間の任意の箇所における前記流れを閉じ込めるダクトの内部と外部との圧力差がゼロに等しいかそれより大きい値に保持され、そして当該ダクトの内部の圧力が当該ダクトの外部の前記圧力容器内の圧力と等しいかそれより高い、請求項３３記載の方法。
【請求項３５】
（ａ）次の（１）〜（３）を含むイオン輸送膜反応器システムを用意すること、
（１）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（２）この圧力容器の内部に配置され直列に配列された、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含みそして内部領域と外部領域を有する、複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、
（３）当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
（ｂ）加熱した昇圧反応物の原料ガス流を供給し、この反応物原料ガス流を圧力容器入口を通し上記膜モジュールの外部領域へ導入すること、
（ｃ）酸素を含有する酸化剤ガスを上記膜モジュールの内部領域に供給し、上記混合金属酸化物セラミック材料を通して酸素イオンを透過させ、酸素を当該膜モジュールの外部領域で上記反応物原料ガス流中の成分と反応させて酸化生成物を生成させ、そして当該酸化生成物を当該膜モジュールの外部領域から出口を通し上記圧力容器の外部へ抜き出して酸化生成物流を提供すること、及び
（ｄ）酸素の減少した酸素含有ガスを当該膜モジュールの内部領域から上記１以上のマニホールドを通し上記圧力容器の外部へ抜き出すこと、
を含む酸化方法。
【請求項３６】
前記昇圧反応物原料ガス流の圧力が前記酸素を含有する酸化剤ガスの圧力よりも高い、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記イオン輸送膜反応器システムが、内部と外部を有し且つ前記圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを更に含み、そしてこの流れを閉じ込めるダクトが前記複数の平面状イオン輸送膜モジュールを取り囲み、且つ前記圧力容器の入口及び出口と、前記昇圧反応物原料ガス流が当該流れを閉じ込めるダクトの内部を通過するように流動を通じて連通する、請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記圧力容器の入口と出口の間の任意の箇所における前記流れを閉じ込めるダクトの内部と外部との圧力差がゼロに等しいかそれより大きい値に保持され、そして当該ダクトの内部の圧力が当該ダクトの外部の前記圧力容器内の圧力と等しいかそれより高い、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記昇圧反応物原料ガス流が１以上の炭素原子を有する１種以上の炭化水素を含む、請求項３５記載の方法。
【請求項４０】
前記昇圧反応物原料ガス流がメタンを含む、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記酸化生成物流が水素と炭素酸化物を含む、請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）この圧力容器の内部に配置された複数のイオン輸送膜モジュールであって、第１の複数のモジュールが直列に配列されている複数のイオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）第１の複数のモジュール中のいずれか２つの膜モジュールの間に配置された触媒、
を含むイオン輸送膜反応器システム。
【請求項４３】
直列に配列された第２の複数のモジュールを更に含み、前記第１の複数のモジュールが当該第２の複数のモジュールと並列に配置される、請求項４２記載の反応器システム。
【請求項４４】
並列に配列したモジュールの間に、直列に配列したモジュールの間に、あるいは並列に配列したモジュールの間及び直列に配列したモジュールの間に、前記触媒を配置する、請求項４３記載の反応器システム。
【請求項４５】
前記触媒が、ニッケル、コバルト、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及び鉄からなる群より選ばれる１種以上の金属、あるいは当該金属を含有する化合物を含む、請求項４４記載の反応器システム。
【請求項４６】
前記触媒を直列のいくつかのモジュールの間に配置し、そして当該触媒の活性が直列のモジュール間の別々の箇所で異なる、請求項４４記載の反応器システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
セラミックのイオン輸送膜を酸素イオンが透過することは、透過した酸素が透過物側で高純度酸素製品として回収され、そして透過物側において酸化可能な化合物と反応して酸化した又は部分的に酸化した生成物を生成する、高温で運転する種々のガス分離装置及び酸化反応器システムにとっての基礎である。これらのガス分離装置と酸化反応器システムの実用化には、表面積が大きくて、原料ガスを膜の原料ガス側と接触させるための手段と膜の透過物側から製品ガスを抜き出すための手段を有する、膜のアセンブリが必要である。これらの膜アセンブリは、配列し組み立ててモジュールにされた個々の膜を多数含むことができ、モジュールは原料ガスをモジュールに導入しモジュールから製品ガスを抜き出すのに適したガス流動配管を有する。
【０００２】
イオン輸送膜は、平面状の構造又は管状の構造で製作することができる。平面状構造では、複数の平らなセラミックプレートを製作し組み立てて、原料ガスを平面状の膜上へ送るため及び平面状の膜の透過物側から製品ガスを抜き出すための配管手段を有する積重体又はモジュールにする。管状構造では、複数のセラミックチューブを、これらの複数のチューブの原料側と透過物側を隔離するための適切なチューブシートアセンブリを備えたバヨネット又は多管式構造に配列することができる。
【０００３】
平面状又は管状モジュール構造で使用される個々の膜は一般に、活性膜材料の非常に薄い層が、活性材料層の表面への及びその表面からのガスの流動を可能にする大きな気孔又は通路を持つ材料に支持されたものを含む。セラミック膜材料と、膜モジュールの構成部品は、普通の定常状態の運転中に、そしてとりわけ非定常状態の始動、停止及び不調の条件の間に、かなりの機械的応力にさらされかねない。これらの応力は、セラミック材料の熱膨張と収縮により、また膜材料の酸素の化学量論量の変化による化学組成又は結晶構造の変化が原因となる寸法の不一致により、引き起こされることがある。これらのモジュールは、膜及び膜シールをまたぐかなりの圧力差で運転されることがあり、そしてこれらの圧力差により引き起こされる応力は膜モジュールの設計で考慮されなくてはならない。その上、これらの現象の相対的な重要度は、モジュールがガス分離用途で運転されるのか酸化用途で運転されるのかに応じて相違することがある。これらの現象により引き起こされる潜在的な運転上の問題は、回収した製品の純度と膜の運転寿命とに有意のマイナスの影響を及ぼすことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高温のセラミック膜反応器システムの分野では、これらの潜在的な運転上の問題に対処しそれらを克服する新しい膜モジュールと容器の設計が必要とされている。そのような設計は、効率的な運転、長い膜寿命、最小限の資本費、そして広範囲の生産速度にわたり膜システムを規定できることを可能にする特徴を含むべきである。ここに開示される発明の態様は、これらの設計の課題に対処し、そして酸素製造及び酸化のシステムの両方に対する改良されたモジュール及び容器の設計を包含する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの態様は、内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器と、この圧力容器の内部に配置され且つ直列に配列された複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、各膜モジュールが混合金属酸化物セラミック材料を含みそして内部領域と外部領域を有し、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュールと、当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールドを含むイオン輸送膜システムに関する。
【０００６】
各平面状膜モジュールは一般に、平面的な平行表面を有する複数のウエハを含み、圧力容器は円筒状でよく、そしてウエハの平面的平行表面の一部又は全部に平行な軸線を持つことができる。
【０００７】
当該システムは更に、圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを含むことができ、この流れを閉じ込めるダクトは複数の平面状イオン輸送膜モジュールを取り囲み、そして圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する。１以上のガスマニホールドは、入口マニホールドと出口マニホールドを含むことができ、平面状膜モジュールの内部領域は第２の入口マニホールドを介して入口マニホールドと流動を通じて連通することができ、且つ第１の出口マニホールドを介して出口マニホールドと流動を通じて連通することができ、そして流れを閉じ込めるダクト内において、平面状膜モジュールの第２の入口マニホールドと第１の出口マニホールドは一緒にされて入れ子のマニホールドを形成することができる。流れを閉じ込めるダクトは、鉄と、ニッケル及びクロムからなる群より選ばれる１種以上の元素とを含有する、耐酸化性の合金を含むことができる。
【０００８】
１以上のガスマニホールドを、圧力容器の内部又は圧力容器の外部に配置することができる。この１以上のガスマニホールドは、内側、外側、又は内側と外側を断熱してもよい。
【０００９】
平面状イオン輸送膜モジュールのうちの少なくとも２つが、モジュールの軸線を定め、ここにおいて圧力容器は円筒状でよく、そしてモジュールの軸線に対して平行な軸線を有することができる。平面状イオン輸送膜モジュールのうちの少なくとも２つが、モジュールの軸線を定めてもよく、ここにおいて圧力容器は円筒状でよく、そしてモジュールの軸線に対して垂直な軸線を有することができる。
【００１０】
システムは、圧力容器の内部に配置される断熱材を更に含んでもよい。断熱材は、圧力容器の内表面と膜モジュールとの間の領域に配置することができ、そこで断熱材は膜モジュールを取り囲む空洞を形成し、この空洞は圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する。別の態様では、断熱材は圧力容器の内表面と接触してもよい。もう一つの別態様では、断熱材は圧力容器の内表面と接触しなくてもよい。更に別の態様では、システムは、圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを更に含むことができ、ここでは平面状イオン輸送膜モジュールはそのダクト内に配置され、そして断熱材は圧力容器の内表面とダクトの外表面との間に配置される。
【００１１】
断熱材は、（ａ）圧力容器の内表面と接触しダクトの外表面と接触しなくてもよく、（ｂ）圧力容器の内表面と接触し且つダクトの外表面と接触してもよく、（ｃ）圧力容器の内表面と接触せず且つダクトの外表面と接触しなくてもよく、あるいは（ｄ）圧力容器の内表面と接触せずダクトの外表面と接触してもよい。
【００１２】
システムは、圧力容器の内部に配置され圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する、流れを閉じ込めるダクトを更に含むことができ、ここで平面状イオン輸送膜モジュールはダクト内に配置され、断熱材はダクトの内表面と膜モジュールの間に配置され、そして断熱材は膜モジュールを取り囲む空洞を形成し、この空洞は圧力容器の入口及び出口と流動を通じて連通する。システムは、圧力容器の外部の周囲に断熱材を更に含むことができる。
【００１３】
上記の１以上のガスマニホールドは金属を含むことができ、またイオン輸送モジュールはセラミックを含むことができ、ここで１以上のガスマニホールドとモジュールとの接続部はセラミックと金属とのシールを含むことができ、このセラミックと金属とのシールは断熱材で取り囲むことができる。
【００１４】
断熱材は、繊維状のアルミナ、繊維状のアルミナシリケート、多孔質のアルミナ、多孔質のアルミナシリケートからなる群より選ばれる１種以上の材料を含むことができる。断熱材は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化銅、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化ストロンチウム、及びアルカリ土類含有ペロブスカイトからなる群より選ばれる１種以上の材料を含んでもよい。
【００１５】
システムは、圧力容器の入口と第１の膜モジュールとの間に配置される保護床（ｇｕａｒｄ  ｂｅｄ）を更に含むことができる。この保護床は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化銅、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸ストロンチウム、酸化亜鉛、酸化ストロンチウム、及びアルカリ土類含有ペロブスカイトからなる群より選ばれる１種以上の材料を含有することができる。
【００１６】
イオン輸送膜システムは、
（ａ）おのおのが内部、外部、入口及び出口を有する、１以上の追加の圧力容器、
（ｂ）当該１以上の圧力容器のおのおのの内部に配置され直列に配列される複数の平面状イオン輸送膜モジュールであり、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含み、且つ内部領域と外部領域を有する複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）膜モジュールの内部領域及び圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を更に含むことができ、ここでは圧力容器のうちの少なくとも２つは、１つの圧力容器の出口が別の圧力容器の入口と流動を通じて連通するように直列に配置される。
【００１７】
あるいはまた、イオン輸送膜システムは、
（ａ）おのおのが内部、外部、入口及び出口を有する、１以上の追加の圧力容器、
（ｂ）当該１以上の圧力容器のおのおのの内部に配置され直列に配列される複数の平面状イオン輸送膜モジュールであり、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含み、且つ内部領域と外部領域を有する複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）膜モジュールの内部領域及び圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を更に含むことができ、ここでは圧力容器のうちの少なくとも２つは、１つの圧力容器の入口及び別の圧力容器の入口が共通の原料導管と流動を通じて連通するように並列に配置される。
【００１８】
システムは更に、圧力容器の内部に配置され直列に配列される追加の複数の平面状イオン輸送膜モジュールを含むことができ、ここでは複数の平面状イオン輸送膜モジュールと当該追加の複数の平面状イオン輸送膜モジュールは平行な軸線上に位置する。
【００１９】
本発明の更なる態様は、
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）当該圧力容器の内部に配置された複数の平面状イオン輸送膜モジュールであり、おのおのが２以上の並列モジュールを含む直列のモジュールの列に配列されていて、おのおのの膜モジュールが混合金属酸化物セラミック材料を含み、且つ内部領域と外部領域を有する複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通している複数の平面状イオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）膜モジュールの内部領域及び圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を含むイオン輸送膜システムである。
【００２０】
本発明の別の態様は、
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）当該圧力容器の内部に配置され直列に配列された複数のイオン輸送膜モジュールであり、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含み且つ内部領域と外部領域を有する複数のイオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数のイオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）当該圧力容器の内部に配置され膜モジュールの内部領域及び圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
を含むイオン輸送膜システムである。
【００２１】
本発明のもう一つの別態様は、
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）当該圧力容器の内部に配置された膜の積重体又はモジュールアセンブリであり、混合金属酸化物セラミック材料を含む複数の平面的ウエハであっておのおのが内部領域と外部領域を有する複数の平面的ウエハと、複数の中空セラミックスペーサとを有する膜の積重体又はモジュールアセンブリであって、当該積重体又はモジュールアセンブリが交互のウエハとスペーサにより、ウエハの内部が中空スペーサを介して流動を通じて連通するように形成され、ウエハが互いどうし平行に配向され、そして交互のスペーサとウエハが同軸に配向されてウエハが積重体又はモジュールの軸線に対して垂直になるよう積重体又はモジュールを形成している、膜の積重体又はモジュールアセンブリ、
（ｃ）当該圧力容器の内部の膜の積重体又はモジュールアセンブリの周囲に配置されたガスマニホールドシュラウドアセンブリであって、当該積重体又はモジュールを少なくとも第１のウエハゾーンと第２のウエハゾーンとに分離し、圧力容器の入口を第１のウエハゾーンのウエハの外部領域と流動を通じて連通させ、第１のウエハゾーンのウエハの外部領域を第２のウエハゾーンのウエハの外部領域と流動を通じて直列に連通させるガスマニホールドシュラウドアセンブリ、
を含むイオン輸送膜システムである。
【００２２】
イオン輸送膜システムは、ガスマニホールドシュラウドアセンブリにより形成された複数の追加のウエハゾーンを更に含むことができ、このシュラウドアセンブリは当該追加のウエハゾーンを互いどうし流動を通じて直列に連通させ、そして当該追加のウエハゾーンのうちの１つが圧力容器の出口と流動を通じて連通する。
【００２３】
本発明のもう一つの態様は、
（ａ）次の（１）〜（３）を含むイオン輸送膜分離器システムを用意すること、
（１）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（２）この圧力容器の内部に配置され直列に配列された、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含みそして内部領域と外部領域を有する、複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、
（３）当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
（ｂ）加熱した昇圧酸素含有原料ガス流を供給し、この原料ガス流を圧力容器入口を通し上記膜モジュールの外部領域へ導入し、そして原料ガス流を上記混合金属酸化物セラミック材料と接触させること、
（ｃ）上記混合金属酸化物セラミック材料を通して酸素イオンを透過させ、上記膜モジュールの内部領域で高純度の酸素ガス製品を回収し、そしてこの高純度酸素ガス製品を膜モジュールの内部領域から上記ガスマニホールドを通し上記圧力容器の外部へ抜き出すこと、及び
（ｄ）酸素の減少した酸素含有ガスを圧力容器出口から抜き出すこと、
を含む、酸素含有ガスから酸素を回収するための方法を包含する。
【００２４】
酸素含有原料ガスの圧力は、一般に、高純度酸素ガス製品の圧力よりも高い。イオン輸送膜分離器システムは更に、内部と外部を有し且つ圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを含むことができ、この流れを閉じ込めるダクトは上記の複数の平面状イオン輸送膜モジュールを取り囲み、そして圧力容器の入口及び出口と酸素含有原料ガスが流れを閉じ込めるダクトの内部を通過するように流動を通じて連通する。
【００２５】
圧力容器の入口と出口の間の任意の箇所における流れを閉じ込めるダクトの内部と外部との圧力差は、ゼロに等しいかそれより大きい値に保持することができ、ダクトの内部の圧力はダクトの外部の圧力容器内の圧力と等しいかそれより高くてよい。
【００２６】
本発明のもう一つの態様は、
（ａ）次の（１）〜（３）を含むイオン輸送膜反応器システムを用意すること、
（１）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（２）この圧力容器の内部に配置され直列に配列された、おのおのが混合金属酸化物セラミック材料を含みそして内部領域と外部領域を有する、複数の平面状イオン輸送膜モジュールであって、当該圧力容器の入口及び出口が当該膜モジュールの外部領域と流動を通じて連通する複数の平面状イオン輸送膜モジュール、
（３）当該膜モジュールの内部領域及び当該圧力容器の外部と流動を通じて連通する１以上のガスマニホールド、
（ｂ）加熱した昇圧反応物の原料ガス流を供給し、この反応物原料ガス流を圧力容器入口を通し上記膜モジュールの外部領域へ導入すること、
（ｃ）酸素を含有する酸化剤ガスを上記膜モジュールの内部領域に供給し、上記混合金属酸化物セラミック材料を通して酸素イオンを透過させ、酸素を膜モジュールの外部領域で反応物原料ガス流中の成分と反応させて酸化生成物を生成させ、そして当該酸化生成物を膜モジュールの外部領域から出口を通し上記圧力容器の外部へ抜き出して酸化生成物流を提供すること、及び
（ｄ）酸素の減少した酸素含有ガスを膜モジュールの内部領域から上記１以上のマニホールドを通し圧力容器の外部へ抜き出すこと、
を含む酸化方法に関する。
【００２７】
この態様では、昇圧した反応物原料ガス流の圧力は、一般に、酸素を含有する酸化剤ガスの圧力よりも高い。イオン輸送膜反応器システムは更に、内部と外部を有し且つ圧力容器の内部に配置される流れを閉じ込めるダクトを含むことができ、この流れを閉じ込めるダクトは上記の複数の平面状イオン輸送膜モジュールを取り囲み、そして圧力容器の入口及び出口と、昇圧した反応物原料ガス流が流れを閉じ込めるダクトの内部を通過するように流動を通じて連通する。
【００２８】
圧力容器の入口と出口の間の任意の箇所における流れを閉じ込めるダクトの内部と外部との圧力差は、ゼロに等しいかそれより大きい値に保持することができ、そしてダクトの内部の圧力はダクトの外部の圧力容器内の圧力と等しいかそれより大きくてよい。
【００２９】
昇圧した反応物原料ガス流は、１以上の炭素原子を有する１種以上の炭化水素を含むことができ、そのうちの一つはメタンを含むことができる。酸化生成物流は、水素と炭素酸化物を含むことができる。
【００３０】
本発明のもう一つの態様は、
（ａ）内部、外部、入口及び出口を有する圧力容器、
（ｂ）この圧力容器の内部に配置された複数のイオン輸送膜モジュールであって、第１の複数のモジュールが直列に配列されている複数のイオン輸送膜モジュール、及び
（ｃ）第１の複数のモジュール中のいずれか２つの膜モジュールの間に配置された触媒、
を含むイオン輸送膜反応器システムに関する。この反応器システムは、直列に配列された第２の複数のモジュールを更に含むことができ、ここでは第１の複数のモジュールは第２の複数のモジュールと並列に配置される。
【００３１】
この反応器システムでは、触媒を、並列に配列したモジュールの間に、直列に配列したモジュールの間に、あるいは並列に配列したモジュールの間及び直列に配列したモジュールの間に、配置することができる。触媒は、ニッケル、コバルト、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及び鉄からなる群より選ばれる１種以上の金属、あるいは当該金属を含有する化合物を含むことができる。触媒を直列のいくつかのモジュールの間に配置してもよく、触媒の活性は直列のモジュール間の別々の箇所で異なってもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１〜１６の図面は必ずしも一定比率にはなっていない。
【００３３】
本発明の態様は、酸素の回収かあるいは酸化プロセスで使用するための直列に運転する複数の膜モジュールを利用するイオン輸送膜システムの設計と運転を対象とする。膜をまたいでの酸素の輸送が、例えばメタンからの合成ガスの製造において、発熱反応になる場合には、個々の膜を横切る反応物の転化度は膜をまたぐ過剰の温度勾配を防ぐために制限されなくてはならない、ということが分った。膜が酸素を低圧透過物流へと輸送するときには、個々の膜を横切る酸素の抽出量は膜の後端との間の膜材料の過剰な酸素欠如（ｏｘｙｇｅｎ  ｖａｃａｎｃｙ）勾配を防ぐために制限されなくてはならない、ということも分った。過剰の温度又は酸素欠如勾配は、膜の寿命を全く激しく制限しかねない過剰な応力を膜に生じさせることがある。
【００３４】
本発明は、各モジュールの膜を横切って抽出される酸素の量が十分に少くなって膜材料中の過剰な酸素欠如勾配を防止するよう、複数の膜モジュール又はモジュールの列を直列に配向することにより、これらの問題に対処する。各個別のモジュールを横切って抽出される酸素の量はモジュールの大きさを適切にすることにより制限することができ、所望の全酸素抽出度を選ばれた複数のモジュールを直列に運転することにより得ることができる。膜を横切る酸素輸送の結果発熱反応を招く場合には、各モジュールの個々の膜を横切る反応物の転化度を十分低くして流動方向における膜をまたいでの過剰な温度勾配を防ぐべきである。各個別のモジュールをまたいでの転化度はモジュールの大きさを適切にすることにより制限することができ、複数の選ばれたモジュールを直列に運転することにより所望の全転化度を得ることができる。
【００３５】
各膜モジュールの膜の外側を流れるガスは、好ましくは、下記で説明するようにモジュールの内部の膜の内側のガスよりも高圧である。気相物質移動の抵抗を最小限にするためには、より高圧のガスを高速で且つできるだけ均一に膜の外表面を横切って導くべきである。
【００３６】
イオン輸送膜システムの独特な運転条件のために、システムの設計は、圧力容器、この容器内に且つ直列の膜モジュールを取り囲んで配置された随意的なガスの流れを閉じ込める装置又はダクト、及び容器の壁を膜モジュールよりも低い温度で運転するのを可能にする容器内の断熱材、を含むことができる。下記で説明するようにこれらの構成要素のおのおのを物理的に適切に配置することで、システムの製作、据え付け、そして長期の運転可能性の見通しが増進される。更に、イオン輸送膜モジュール全体の長期の信頼性に寄与することができるその他の内部構造物の設計が開示される。
【００３７】
次に示す定義が、ここに提示される本発明の態様の説明で使用される用語に適用される。
【００３８】
イオン輸送膜モジュールは、ガスが膜構造体の外表面を横切って流れるように配置されたガス流入領域とガス流出領域とを有する複数の膜構造体のアセンブリである。膜モジュールの内部領域から外部領域へ流れるガスは、モジュールの膜構造体の表面を横切って進むにつれ、組成が変化する。各膜構造体には、酸素イオンが透過するのを可能にする活性膜層又は領域により分離された酸素含有ガス原料側と透過物側がある。各膜構造体には、内部領域と外部領域もある。膜モジュールが酸素分離装置として運転される一つの態様では、酸素含有ガス原料側は膜構造体の外部領域に隣接することができ、透過物側は膜構造体の内部領域に隣接することができる。
【００３９】
膜モジュールが酸化反応装置として運転される別の態様では、酸素含有ガス原料側は膜構造体の内部領域に隣接することができ、透過物側は膜構造体の外部領域に隣接することができる。この別態様においては、反応物原料ガスが膜構造体の外部領域を流れ、そして透過した酸素と反応する。このように、この態様では、透過物側は膜構造体の反応物ガス側でもある。
【００４０】
膜構造体は、酸素含有ガスがチューブの片側（すなわちチューブの内部領域か外部領域）と接触して流れ酸素イオンがチューブの壁内又はその上の活性膜物質を通り抜けチューブの他方の側へ透過する管状の構成を有することができる。酸素含有ガスは、チューブの内側又は外側をチューブの軸線に対し概して平行な方向に流れることができ、あるいは逆に、チューブの軸線に対して平行でない方向に、チューブの外側を流れることができる。モジュールは、複数のチューブの原料側と透過物側を分けるため適当なチューブシートアセンブリを備えたバヨネット又は多管式構造に配列された複数のチューブを含む。
【００４１】
あるいはまた、膜構造体は、周辺端部の少なくとも一部をシールされた２枚の平行な平面状部材によって中央又は内部領域と外部領域とを有するウエハが形成される平面状の構成を有することができる。酸素イオンは、平面状部材のいずれか又は両方の表面に配置することができる活性膜物質を透過する。ガスはウエハの中央又は内部領域を流れることができ、そしてウエハはガスがウエハの内部領域に入り及び／又はそこから抜け出るのを可能にするための１以上のガス流動開口部を有する。こうして、酸素イオンは外部領域から内部領域へ透過することができ、あるいは逆に、内部領域から外部領域へ透過することができる。
【００４２】
膜モジュールの構成要素には、酸素イオンを輸送し又は透過させ、そして電子を輸送してもよい活性膜層と、活性膜層を支持する構造用構成要素と、ガスの流れを膜表面へ及び膜表面から導くための構造用構成要素が含まれる。活性膜層は一般に、混合金属酸化物セラミック材料を含み、そしてまた１種以上の元素金属を含むこともできる。膜モジュールの構造用構成要素は任意の適切な材料、例えば混合金属酸化物セラミック材料などで製作することができ、そしてまた１種以上の元素金属を含むこともできる。活性膜層と構造用構成要素のいずれも、同じ材料で製作することができる。
【００４３】
単一のモジュールを直列に配列することができ、これはいくつかのモジュールを単一の軸線に沿って配置することを意味する。一般には、第１のモジュールの膜構造体の表面を通過したガスがそのモジュールの流出領域から流れ出し、その後このガスの一部又は全部が第２のモジュールの流入領域に入り、そしてそれから第２のモジュールの膜構造体の表面を横切って流れる。一連の単一モジュールの軸線は、直列のモジュールを通り過ぎるガスの全体的な流れの方向又は軸線と平行であるか又はほぼ平行であることができる。
【００４４】
モジュールは、２以上の並列モジュールの列に並べてもよく、この場合、並列モジュールの列は、モジュールを通り抜けるガスの全体的な流れの方向又は軸線に対して平行でなく、そして一般にそれに対して直角でもよい、軸線上に位置する。モジュールの複数の列を直列に配列してもよく、これは定義により、モジュールの列が、モジュールの第１の列の膜構造体の表面を通過したガスのうちの少なくとも一部がモジュールの第２の列の膜構造体の表面を横切って流れるように配置されることを意味する。
【００４５】
任意の数の単一モジュール又はモジュールの列を直列に配置することができる。一つの態様では、直列の単一モジュール中の又は直列のモジュールの列中のモジュールは、軸線の数が１に等しいかあるいは各列のモジュールの数に等しい共通の軸線上又は共通の複数の軸線上にあることができる。下記で説明するもう一つの態様では、一連のモジュール又はモジュールの列中の連続するモジュール又はモジュールの列は、モジュールがそれぞれ少なくとも２つの軸線上又は列中のモジュールの数より大きい数の軸線上に位置するように交互に食い違うことができる。これらの態様の両方とも、ここで使用する直列のモジュールの定義に含まれる。
【００４６】
好ましくは、膜モジュールの外部領域で外表面と接するガスは膜モジュールの内部領域内のガスよりも高い圧力にある。
【００４７】
流れを閉じ込めるダクトは、直列のモジュールの向こう側へ流動ガスを導く複数の連続した膜モジュールを取り囲む導管又は閉鎖通路として定義される。
【００４８】
マニホールドは、ガスを案内して膜モジュールの内部領域に入らせ及び／又はそこから出すパイプ又は導管の組立体である。第１の又は内側の導管を第２の又は外側の導管内に設置することにより２つのマニホールドを組み合わせてもよく、この場合第１の導管が第１のマニホールドを提供し、導管の間の環状部が第２のマニホールドを提供する。これらの導管は同心又は同軸であることができ、ここではこれら２つの用語は同じ意味を有する。あるいはまた、これらの導管は同心又は同軸でなくてもよく、平行な又は平行でない別々の軸線を有することができる。組み合わせたマニホールドの機能をもたらす内側導管と外側導管のこの構成は、ここでは入れ子のマニホールドとして定義される。
【００４９】
流動を通じ連通というのは、膜モジュール及び容器システムの構成要素が互いに関し、ガスが１つの構成要素から別の構成要素へ容易に流動することができるようにされていることを意味する。
【００５０】
ウエハは、中央又は内部領域と外部領域とを有する膜構造体であり、この場合ウエハは周辺端部の少なくとも一部の周囲をシールされた２枚の平行な平面状部材により形成される。活性膜材料は、平面状部材のいずれか又は両方の面に配置することができる。ガスは、ウエハの中央又は内部領域を流れることができ、すなわち内部領域の全ての部分が流動を通じて連通し、そしてウエハは、ガスがウエハの内部領域に入り及び／又はそこから出るのを可能にするために１以上の流動開口部を有する。ウエハの内部領域は、ガスが当該内部領域を流れるのを可能にしそして平行な平面状部材を機械的に支持する多孔質及び／又はダクト付きの材料を含むことができる。上記の活性膜材料は、酸素イオンを輸送し又は透過させるが、いずれのガスの流れも通さない。
【００５１】
酸素は、原子番号８の元素を含む酸素の形態についての一般的な用語である。この一般的な用語の酸素は、酸素イオンも、また気体の酸素（Ｏ2又は二原子酸素（ｄｉｏｘｙｇｅｎ））も包含する。酸素含有ガスは、空気又は、酸素、窒素、水、一酸化炭素及び二酸化炭素からなる群より選ばれる１種以上の成分を含むガス混合物を包含することができるが、それらに限定はされない。
【００５２】
反応物ガス又は反応物原料ガスは、酸素と反応して酸化生成物を生成する少なくとも１種の成分を含むガスである。反応物ガスは１種以上の炭化水素を含有することができ、この場合の炭化水素は主にあるいは専ら水素及び炭素原子を含む化合物である。炭化水素はその他の原子、例えば酸素など、を含有してもよい。
【００５３】
合成ガスは、少なくとも水素と炭素酸化物を含有しているガス混合物である。
【００５４】
イオン輸送膜は、高温で酸素イオンを輸送し又は透過させることができる混合金属酸化物を含むセラミック膜材料の活性層である。イオン輸送膜はまた、電子も酸素イオンも輸送することができ、そしてこのタイプのイオン輸送膜は一般に混合伝導体膜として説明される。イオン輸送膜は、１種以上の元素金属を含んでそれにより複合膜を形成することもできる。
【００５５】
イオン輸送膜システムは、酸素の回収又は酸化反応のために用いられる複数のイオン輸送膜モジュールの配列についての一般的用語である。イオン輸送膜分離システムは、酸素含有ガスから酸素を分離し回収するのに使用されるイオン輸送膜システムである。イオン輸送膜反応器システムは、酸化反応のために用いられるイオン輸送膜システムである。
【００５６】
本発明の態様における一連の膜モジュールは、先に説明した管状かあるいは平面状の構成で製作することができる。平面状の構成は多くの用途にとって好ましく、そして平面状膜モジュールの様々な構成が可能である。平面状膜モジュールの構成は、例えば、２００３年３月２１に出願の出願番号第１０／３９４６２０号の同時継続米国特許出願明細書に記載されており、この出願明細書は参照によりここに組み入れられる。
【００５７】
原文明細書及び特許請求の範囲に記載された本発明の特徴的構成要素に適用される場合に不定冠詞の“ａ”と“ａｎ”を使用するのは、１又はそれ以上を意味する。“ａ”及び“ａｎ”を用いることは、特段の記載がない限り、単一のものに意味を限定するものではない。
【００５８】
典型的な平面状膜モジュールを、本発明の態様による酸素回収又は酸化プロセスで使用するための膜ウエハ積重体又はモジュールの模式正面図である図１でもって説明する。この例の積重体又はモジュールは、中空スペーサ３により切り離されそして随意のキャップ５を有する複数の平面状ウエハ１を含む。これらのウエハとスペーサは、図示のように交互に配置されて接合され、積重体又はモジュールの軸線７を形成している。ウエハは平面図ではいずれの形状でもよいが、正方形又は長方形の形状が一般には好ましい。正方形又は長方形のウエハのいずれの辺の寸法も、２〜４５ｃｍであることができる。積重体におけるウエハの数は最高で１０００までの範囲でよい。
【００５９】
積重体又はモジュールの外部領域は、ウエハ及びスペーサの外表面を取り囲む領域である。下記で詳しく説明するように、ウエハ１は流体を通じてスペーサ３の内部に連通するよう配置される内部領域を有し、その際ウエハとスペーサとの間には気密シールが形成される。底部の中空スペーサ１１の開口部９は、ガスが積重体又はモジュールの内部領域に入り及び／又はそこから出るのを可能にし、この場合ウエハの内部領域と中空スペーサの開口部によりモジュールの内部領域が形成される。このように、開口部９はモジュールの内部領域と流動を通じて連通する
【００６０】
図１のモジュールの側面図を図２Ａに示し、これは酸化プロセスで使用するための典型的な構成を説明するものである。この例では、ウエハ２００の間のスペーサ２０１のおのおのに別々の２組の開口部２０３と２０５がある。スペーサ２０１の開口部２０３と、スペーサ２０１の上方と下方に配置されたスペーサの別の開口部は、ウエハの左端部でウエハの層を通り抜ける適切に配置された開口部（図示せず）によってウエハの内部領域と流動を通じて連通する内部マニホールドを形成している。ウエアの層を通り抜けるこれらの開口部はまた、スペーサ２０１の内部の開口部２０３とスペーサ２０１の上方及び下方のスペーサの内部の開口部とを流動を通じて互いに連通させる。同様に、スペーサ２０１の開口部２０５と、スペーサ２０１の上方と下方に配置されたスペーサの別の開口部は、ウエハの右端部でウエハの層を通り抜ける適切に配置された開口部（図示せず）によってウエハの内部領域と流動を通じて連通する内部マニホールドを形成している。ウエアの層を通り抜けるこれらの開口部はまた、スペーサ２０１の内部の開口部２０５とスペーサ２０１の上方及び下方のスペーサの内部の開口部とを流動を通じて互いに連通させる。
【００６１】
この例の構成において、ガス流２０７は、開口部２０３とそれらの上方の開口部とにより形成される内部マニホールドを通って上向きに流れ、そしてその後ウエハの内部領域を水平に流れる。次いで、ウエハの内部領域からのガスは、開口部２０５とそれらの上方の開口部とにより形成される内部マニホールドを通って下向きに流れ、そしてガス流２０９としてモジュールを出てゆく。モジュールのガス流入領域の第２のガス２１１は、スペーサ２０１のいずれかの側のモジュールの外部領域を通りウエハ２００の外表面に接して流れる。ウエハ２００の外表面と接触後の、ガス２１３は、モジュールのガス流出領域を流れる。このモジュールは、６００〜１１００℃の一般的な温度範囲で運転することができる。
【００６２】
図２Ａのモジュールは、酸化反応器システムの一部として使用でき、代表ガス２１１が反応ガスであり、代表ガス２０７が酸化剤又は酸素含有ガスである。酸素含有ガス２０７は開口部２０３を経由して内部マニホールドを通り抜けそしてウエハの内部領域を通り抜けて流れ、酸素がウエハの平面状部材の活性膜材料を透過し、そして酸素の減少したガス２０９が開口部２０５を経由してモジュールから流れる。透過した酸素は反応物ガス又は反応物原料ガス２１１中の活性剤成分と、ガスがウエハの外表面を流れるにつれて反応し、そして酸化生成物を生成する。モジュールからの出口ガス２１３は、酸化生成物と未反応成分を含有している。一例の態様において、反応物ガス２１１はメタン又はメタン含有原料ガスを含み、出口ガス２１３は未反応メタン、水素、二酸化炭素及び水の混合物であり、酸素含有ガス２０７は空気であり、そして酸素の減少したガス２０９はガス２０７と比べ窒素に富んでいて酸素が減少している。一般に、ガス２１１と２１３の圧力はモジュールの内部領域のガスの圧力より高い。
【００６３】
図１のモジュールの別の側面図を図２Ｂに示し、これは酸素含有ガスから高純度酸素を回収するためのプロセスで使用するための典型的な構成を説明するものである。この例では、ウエハ２１７間のスペーサ２１５に開口部２１９があって、開口部２１９とスペーサ２１５の下方に配置されたスペーサの追加の開口部が、ウエハの内部領域と流動を通じて連通する内部マニホールドを形成している。こうして、開口部２２１はモジュールの内部領域を製品ガス導管（図示せず）と流動を通じて連通させる。モジュールのガス流入領域における酸素含有ガス２２３、例えば空気は、スペーサ２１５の両側のモジュールの外部領域をウエハ２１７の外表面と接触して流れる。ウエハ２１７の外表面と接触後、酸素の減少したガス２２５がモジュールのガス流出領域を流れる。モジュールは、６００〜１１００℃の一般的温度範囲で運転することができる。
【００６４】
酸素含有ガスがモジュールの外部領域を流れそしてガスがウエハの外表面と接触すると、酸素はウエハの平面状部材の活性膜材料を透過し、そして高純度酸素ガスがモジュールの内部領域に集まる。高純度酸素製品ガス２２７は開口部２２１から流れる。一般に、酸素含有ガス２２３及び２２５の圧力はモジュールの内部領域の高純度酸素の圧力より高い。
【００６５】
図１、２Ａ及び２Ｂのウエハの内部領域の一つの可能性ある典型的構成を、図３Ａ及び３Ｂの断面図で説明する。図１の２−２断面を表す図３Ａを参照すると、ウエハは、気孔を通り抜けるガスの流動を可能にする多孔質セラミック材料の外側支持層３０１と３０３を有する。３０５及び３０７の緻密な活性膜層が外側支持層３０１及び３０３と接触し、そして流動通路層３１５及び３１７の一部である支持リブ３２１及び３２９により支持される。これらのリブは、ガスの流動用の開口部又はスロット３１３を有するスロット付き支持層３０９により支持される。開いた通路３１９及び３２５は、開口部又はスロット３１３を介し流動を通じて連通している。随意に、図２Ｂのモジュールを酸素含有ガスから酸素を回収するのに使用する場合、支持層３０１及び３０３を必要としなくてもよい。
【００６６】
「緻密」という用語は、焼結又は焼成されるとガスが流れることができないセラミック材料のことを指す。ガスは混合伝導性多成分金属酸化物材料製の緻密なセラミック膜を、膜が無傷であり且つガスの漏れを可能にする亀裂、孔、又は不完全部がない限り、通り抜けて流れることができない。酸素イオンは、一般に６００℃より高い高温で、混合伝導性多成分金属酸化物材料製の緻密なセラミック膜を透過することができる。
【００６７】
図２Ａと２Ｂの４−４断面を表す図３Ｂは、図３Ａの断面から９０度回転したウエハ断面を図示する。この断面は、外側支持層３０１及び３０３と緻密な活性膜材料層３０５及び３０７の同一の眺めを示している。この断面はまた、スロット付き支持層３０９と流動通路層３１５及び３１７の別の眺めも示している。開いた通路３３１が、交互の支持リブ３３３の間に形成され、ウエハの内部領域をガスが流れるのを可能にしている。従って、ウエハの内部領域は、流動通路層３１５、流動通路層３１７、及びスロット付き支持層３０９の範囲内の組み合わされた開放容積として定義される。
【００６８】
緻密活性膜層３０５及び３０７は、好ましくは、一般式（ＬａxＣａ1-x）yＦｅＯ3-δ（この式において、１．０＞ｘ＞０．５、１．１≧ｙ＞１．０、そしてδは組成物の電荷を中性にする数である）を有する少なくとも１種の混合伝導性多成分金属酸化物化合物を含有する混合金属酸化物セラミック材料を含む。任意の適切な材料を多孔質支持層３０１及び３０３用に使用することができ、そしてこの材料は、例えば、活性膜層３０５及び３０７のそれと同じ組成を有するセラミック材料でよい。好ましくは、多孔質支持層３０１及び３０３は混合伝導性多成分金属酸化物材料である。任意の適切な材料をスロット付き支持層３０９及び流動通路層３１５及び３１７の構造部材用に使用することができ、そしてこの材料は、例えば、活性膜層３０５及び３０７のそれと同じ組成を有するセラミック材料でよい。通路のある支持層の材料は、好ましくは緻密なセラミック材料である。一つの態様において、活性膜層３０５及び３０７、多孔質支持層３０１及び３０３、スロット付き支持層３０９、そして流動通路層３１５及び３１７は全て、同じ組成を持つ材料で製作することができる。
【００６９】
緻密活性膜層３０５及び３０７は、随意に、酸化剤側に１種以上の酸素還元触媒を含むことができる。この触媒は、白金、パラジウム、ルテニウム、金、銀、ビスマス、バリウム、バナジウム、モリブデン、セリウム、プラセオジム、コバルト、ロジウム及びマンガンからなる群より選ばれる金属又はこの群より選ばれる金属を含有する化合物を含むことができる。
【００７０】
多孔質支持層３０１及び３０３は、随意に、多孔質層において起こる炭化水素の酸化、改質、及び／又はその他の反応を促進するための１種以上の触媒を含むことができる。触媒は、多孔質支持層３０１及び３０３のどちらか又は両方の面に配置してもよく、あるいはまた、層の全体にわたり分散させてもよい。この１種以上の触媒は、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、金、ニッケル、コバルト、銅、カリウム及びそれらの混合物からなる群より選ばれる金属又はその群より選ばれる金属を含有する化合物を含むことができる。構造上及び／又はプロセス上の理由から所望される場合には、追加の多孔質層を、それぞれ活性膜層３０５及び３０７と隣接の流動通路層３１５及び３１７との間に、配置してもよい。
【００７１】
図１、２Ａ及び２Ｂの酸素回収用途用のウエハの内部領域のもう一つの可能な構成を、図３Ｃ及び３Ｄの断面図でもって説明する。図１の２−２断面を表す図３Ｃを参照すると、ウエハは外側緻密層３５１及び３５３を有する。３５５及び３５７の多孔質セラミック層が、外側緻密層３５１及び３５３と接触している。多孔質セラミック層３５５は、流動通路層３６５の一部である支持リブ３７１により支持される。多孔質セラミック層３５５は、流動通路層３６５の一部である流動通路３６６と接触している。多孔質セラミック層３５７は、流動通路層３６７の一部である流動通路３６８と接触している。
【００７２】
リブ３７１は、ガス流動用の開口部又はスロット３６３を有する流動通路層３５８により支持される。流動通路層３６７は、流動通路層３５９のリブ３７３により支持され、そしてブリッジ３７９が流動通路３６８の端部を形成している。ブリッジ３７２は、流動通路３６３の端部を形成し、そして流動通路３６８は流動通路層３５９の流動通路３７４と流動を通じて連通している。
【００７３】
図２Ａ及び２Ｂの４−４断面を表す図３Ｄは、図３Ｃの断面から９０度回転したウエハの断面を示している。この断面は、外側緻密層３５１及び３５３と多孔質セラミック層３５５及び３５７の同一の眺めを示している。多孔質セラミック層３５５は流動通路層３６５により支持される。多孔質セラミック層３５５は、流動通路層３６５の一部である流動通路３６６と接している。多孔質セラミック層３５７は、流動通路層３６７のリブ３７８によって支持される。多孔質層３５７は、流動通路層３６７の一部である流動通路３６８と流動を通じ連通している。
【００７４】
リブ３７８は、ガス流動用の開口部又はスロット３７４を有する流動通路層３５９により支持される。流動通路層３６５は、流動通路層３５８のリブ３７５により支持される。ブリッジ３７１が流動通路３６６の端部を形成している。ブリッジ３７６が流動通路３７４の端部を形成し、そして流動通路３６６は流動通路層３５８の流動通路３６３と流動を通じて連通している。開いた通路３７４及び３６３が流動を通じて連通している。
【００７５】
従って、ウエハの内部領域は、流動通路層３６５、流動通路層３６７、流動通路層３５８及び流動通路層３５９の範囲内の組み合わされた開放容積として定義される。層３６５及び３５８の流動通路は、層３６７及び３５９の流通路がそうなることができるのと同じように、互いに直角であることができる。あるいはまた、流動通路３５８及び３５９の代わりに、ウエハの中央から四方に広がり且つウエハの中央の中心ポートと流動を通じて連通する流動通路を含む単一の流動通路層を用いてもよい。
【００７６】
緻密活性膜についての代表的な組成物は米国特許第６０５６８０７号明細書に記載されており、これは参照によりここに組み入れられる。緻密活性膜層３５１及び３５３は、好ましくは、一般式（ＬａxＳｒ1-x）ＣｏyＯ3-δ（この式において、１．０＜ｘ＜０．４、１．０２≧ｙ＞１．０、そしてδは組成物の電荷を中性にする数である）を有する少なくとも１種の混合伝導性多成分金属酸化物化合物を含有する混合金属酸化物セラミック材料を含む。任意の適切なセラミック材料を多孔質支持層３５５及び３５７用に使用することができ、そしてこの材料は、例えば、活性膜層３５１及び３５３のそれと同じ組成の材料でよい。好ましくは、多孔質支持層３５５及び３５７は混合伝導性多成分金属酸化物材料である。任意の適切な材料を流動通路層３６５、３６７、３５８及び３５９の構造部材用に使用することができ、そしてこの材料は、例えば、活性膜層３５１及び３５３のそれと同じ組成を有するセラミック材料でよい。通路のある流動層の材料は、好ましくは緻密なセラミック材料である。一つの態様において、活性膜層３５１及び３５３、多孔質支持層３５５及び３５７、そして通路のある流動層３５８、３５９、３６５及び３６７は全て、同じ組成を持つ材料で製作することができる。
【００７７】
随意に、緻密層３５１及び３５３の外表面に多孔質層を適用してもよい。酸素発生用途用のウエハの内部領域についてのこのほかの代表的な構成は、米国特許第５６８１３７３号明細書に示されており、これは参照によりここに組み入れられる。
【００７８】
本発明の態様は、先に明らかにしたとおり直列に配列した複数の膜モジュールを利用する。これらの一連のモジュールは、適切なガスの流れを閉じ込めるダクト、導管、及び／又はガス流をモジュールへ及びそこから導くマニホールドを備えた１以上の容器内に取り付けることができる。これらの態様の一つを、酸素含有ガスから高純度酸素を回収するのに使用するための代表的な膜分離容器の内部の模式側面図である図４Ａでもって説明する。膜モジュール４０１、４０３、４０５、４０７、及び４０９を、圧力容器４１３内の、随的な流れを閉じ込めるダクト４１１中に、直列に取り付ける。これらの膜モジュールは、例えば、図１と２Ｂを参照して先に説明したモジュールと同様でよい。随意的な流れを閉じ込めるダクト４１１には入口４１５があり、入口ガス流４１７をこのダクトを通して導きモジュール４０１〜４０９のウエハの外表面と接触させる。入口ガス流は、任意の適当な方法（図示せず）により６００〜１１００℃の温度に加熱された昇圧した酸素含有酸化剤ガス、例えば空気、である。ダクト４１１内のガスの圧力は０．２〜８ＭＰａの範囲内でよい。流れを閉じ込めるダクトは、好ましくは、鉄と、ニッケル及びクロムからなる群より選ばれる１種以上の元素とを含有する、耐酸化性の合金を含む。流れを閉じ込めるダクト用に用いることができる商業的に入手可能な合金には、Ｈａｙｎｅｓ（商標）  ２３０、Ｉｎｃｏｌｌｏｙ  ８００Ｈ、Ｈａｙｎｅｓ（商標）  ２１４、及びＩｎｃｏｎｅｌ（商標）  ６９３合金が含まれる。
【００７９】
流れを閉じ込めるダクト４１１中のガス圧力は、好ましくは、圧力容器４１３の内壁と流れを閉じ込めるダクト４１１の外壁との間の容器の内部のガス圧力より高い。圧力容器４１３の入口と出口との間の任意の箇所におけるダクト４１１の内部と外部との圧力差は、好ましくは、ゼロに等しいかそれより大きい値に保持され、ダクトの内部の圧力はダクトの外部の圧力容器内の圧力と等しいかそれより高い。これは、ダクトの外側の空間をダクトの内側のプロセスガスより低い圧力のガスでパージし、プロセスガス出口４２１においてダクトの外側の空間とダクト内のプロセスガスとを流動を通じて連通させ、パージガスをダクトの外側の空間へ導入し、又はパージガス出口の圧力制御器を使用してダクトの外側の空間の圧力をダクトの内側より低く維持しながらパージガス出口を通してパージガスを抜き出すことにより、達成することができる。
【００８０】
酸素含有ガスが膜モジュール４０１〜４０９のウエハの表面を連続して進むにつれ、酸素が緻密な活性膜層を透過し、そしてモジュールの内部領域に集まる。酸素の減少したガス流４１９が、出口４２１を通ってダクトと圧力容器を出てゆく。モジュールの内側領域からの高純度酸素の透過生成物は、第１のマニホールド４２３、４２５、４２７、４２９及び４３１、第２のマニホールド４３３、４３５、４３７、４３９及び４４１、そして主マニホールド４４５を通って流れ、そして高純度ガス生成物流４４７としてシステムを出てゆく。膜モジュール４０１〜４０９のうちの少なくとも２つは、圧力容器４１３の軸線又は流れを閉じ込めるダクト４１１の軸線と平行であるか又は一致することができるモジュールの軸線を規定する。
【００８１】
上述の代表的な膜分離容器は、膜モジュールへの原料ガス用の単一の入口、流れを閉じ込める単一のダクト、及び膜モジュールからの単一の出口を有してはいるが、複数の入口、流れを閉じ込める複数のダクト、及び／又は複数の出口を使用することができるその他の構成が可能である。例えば、圧力容器は、おのおのが１又は２以上の入口と１又は２以上の出口を有する２つ（又はそれ以上）の流れを閉じ込めるダクトを有することができる。一般に、分離容器が入口及び出口を有すると記載される場合、これはそれが１又は２以上の入口及び１又は２以上の出口を有することを意味する。一般に、分離容器が流れを閉じ込めるダクトを有すると記載される場合、これはそれが流れを閉じ込める１又は２以上のダクトを有することを意味する。
【００８２】
図４Ａの代表的な膜分離容器の別の図を、図４Ｂに示したように６−６断面によって示す。この態様では、３つの膜モジュール４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃの列が、ダクト４１１内に並列に取り付けられており、そして第２のマニホールド４３３に接続する３つの第１のマニホールド４２３ａ、４２３ｂ、４２３ｃを有する。第２のマニホールド４３３は主マニホールド４４５へ接続されている。あるいはまた、１つの膜モジュール、２つの並列膜モジュール、又は３以上の並列膜モジュールを、各列において使用してもよい。
【００８３】
第２のマニホールド４３３、４３５、４３７、４３９及び４４１と、主マニホールド４４５は、図４Ａと４Ｂの態様では圧力容器４１３の内部にあるけれども、これらのマニホールドは別の態様では圧力容器の外側に位置することができる。第１のマニホールド４２３、４２５、４２７、４２９及び４３１は、この別の態様では圧力容器４１３の壁を通り抜ける。
【００８４】
これとは別の態様において、平面状膜モジュール４０１〜４０９の代わりに、随意的なダクト４１１を通り抜けるガスの長手方向の流れに関して直列の関係で配置される管状膜モジュールを使用してもよい。これらのモジュールは、複数の単一チューブを利用してもよく、あるいはバヨネット型のチューブを利用してもよく、そしてこれらのモジュールは、ガスが直交式にチューブを横切って流れあるいは平行流式にチューブと接触するように配向される。この別態様では、全てのマニホールドが図４Ａと４Ｂに示したように圧力容器の内側に位置する。
【００８５】
本発明のもう一つの態様を、酸化プロセスで使用するための代表的な膜分離容器の内部の模式側面図である図５でもって説明する。膜モジュール５０１、５０３、５０５、５０７、及び５０９が、圧力容器５１３内の流れを閉じ込めるダクト５１１中に直列に取り付けられている。これらの膜モジュールは、例えば、図１と２Ａを参照して先に説明したモジュールと同様でよい。随意的な流れを閉じ込めるダクト５１１には入口５１５があり、入口ガス流５１７をダクトを通して導いてモジュール５０１〜５０９のウエハの外表面と接触させる。入口ガス流は、高温で酸素と反応する１種以上の成分を含有する反応物原料ガスであり、ここでの入口反応物ガスは任意の適当な方法（図示せず）により６００〜１１００℃の温度に加熱される。ダクト５１１内のガスの圧力は、０．２〜８ＭＰａの範囲内でよい。反応物原料ガスの例は、スチームと天然ガスの混合物であり、ここでの天然ガスは主にメタンを含み、より少量の軽質炭化水素をともに含む。混合物は、約８００℃未満の温度で予備改質して、スチーム、メタン、及び炭素酸化物を含有する反応物原料ガスにしてもよい。このほかの酸化可能な反応物原料ガスには、例えば、水素、一酸化炭素、スチーム、メタノール、エタノール及び軽質炭化水素の種々の混合物が含まれる。
【００８６】
流れを閉じ込めるダクト５１１の内部のガス圧力は、好ましくは、圧力容器５１３の内壁と流れを閉じ込めるダクト５１１の外壁との間の容器の内部のガス圧力より高い。圧力容器５１３の入口と出口との間の任意の箇所におけるダクト５１１の内部と外部との圧力差は、好ましくは、ゼロに等しいかそれより大きい値に保持され、ダクトの内部の圧力はダクトの外部の圧力容器内の圧力と等しいかそれより高い。これは、ダクトの外側の空間をダクトの内側のプロセスガスより低い圧力のガスでパージし、プロセスガス出口５５９においてダクトの外側の空間とダクト内のプロセスガスとを流動を通じて連通させ、パージガスをダクトの外側の空間へ導入し、そしてパージガス出口の圧力制御器を使用してダクトの外側の空間の圧力をダクトの内側より低く維持しながらパージガス出口を通してパージガスを抜き出すことにより、達成することができる。
【００８７】
膜モジュール５０１〜５０９の内部領域は、一方は酸素含有酸化剤ガスをモジュールへ導入するための、そして他方は酸素の減少した酸化剤ガスをモジュールから抜き出すための、２つのマニホールドシステムと流動を通じて連通する。これらのマニホールドシステムのうちの第１のものは、主入口マニホールド５１９、第１の入口マニホールド５２１、５２３、５２５、５２７及び５２９、そして第２の入口マニホールド５３１、５３３、５３５、５３７及び５３９を含む。これらのマニホールドシステムのうちの第２のものは、主出口マニホールド５４１と、第１の出口マニホールド５４３、５４５、５４７、５４９及び５５１を含む。
【００８８】
図５の構成に代わる別の構成（図示せず）では、流れを閉じ込めるダクト内にある場合に、第２の入口マニホールド５３１、５３３、５３５、５３７及び５３９をそれぞれ第１の出口マニホールド５４３、５４５、５４７、５４９及び５５１と組み合わせることができる。２つのマニホールドは、１番目の又は内側の導管を２番目の又は外側の導管内に取り付けて組み合わせることができ、この場合１番目の導管が１番目のマニホールドを提供し、導管の間の環状部が２番目のマニホールドを提供する。これらの導管は同心又は同軸でよく、あるいはまた、これらの導管は同心又は同軸でなくてよく、別々の平行な又は平行でない軸線を持つことができる。組み合わされたマニホールドの機能をもたらすための内側導管と外側導管のこの構成は、ここでは入れ子のマニホールドと定義される。
【００８９】
この別態様の構成では、ガス５５３が中央の導管を流れ、そしてガス５５５がこれらの入れ子マニホールドの各組の環状部を流れる。入れ子マニホールドは、流れを閉じ込めるダクト５１１の外部の別々のマニホールドへ移行し、すなわち、図５に示したとおりの第２の入口マニホールド５３１、５３３、５３５、及び５３９と、第１の出口マニホールド５４３、５４５、５４７、５４９及び５５１へ移行する。随意に、流れを閉じ込めるダクト５１１内で、第１の出口マニホールド５４３、５４５、５４７、５４９及び５５１をそれぞれ第２の入口マニホールド５３１、５３３、５３５、５３７及び５３９内に入れ子にしてもよい。このオプションでは、ガス５５５が中央の導管を流れ、ガス５５３がこれらの入れ子マニホールドの各組の環状部を流れる。従って、一般論として、流れを閉じ込めるダクト５１１内にある場合に第２の入口マニホールドと第１の出口マニホールドを入れ子にすることができ、そして環状部を第２の入口マニホールドか第１の出口マニホールドにすることができる。
【００９０】
任意の適当な方法（図示せず）により６００〜１１００℃の温度に加熱された、加熱昇圧酸素含有酸化剤ガス５５３、例えば空気が、主入口マニホールド５１９に入り、第１の入口マニホールド５２１、５２３、５２５、５２７及び５２９と第２の入口マニホールド５３１、５３３、５３５、５３７及び５３９を経て膜モジュール５０１、５０３、５０５、５０７及び５０９の入口へ流れる。膜モジュールの内部領域の酸化剤ガスからの酸素が、モジュール５０１〜５０９のウエハの緻密活性膜層を透過し、そして透過した酸素が膜モジュールの外部領域で反応性成分と反応する。酸素の減少した酸化剤ガスが第１の出口マニホールド５４３、５４５、５４７、５４９及び５５１と主出口マニホールド５４１を経て膜モジュールの内部領域を出てゆき、そして最終的な酸素の減少したガスがガス流５５５として抜き出される。反応生成物と未反応の原料成分を含有している出口ガス流５５７は、出口５５９を通して反応器システムから抜き出される。
【００９１】
上述の代表的な反応容器は、膜モジュールへの反応物原料ガスのための単一の入口、流れを閉じ込める単一のダクト、及び膜モジュールからの単一の出口を有しているが、複数の入口、流れを閉じ込める複数のダクト、及び／又は複数の出口を使用することができるその他の態様が可能である。例えば、圧力容器は、おのおのが１又は２以上の入口と１又は２以上の出口を有する流れを閉じ込めるダクトを２つ以上有してもよい。一般に、反応容器が入口及び出口を有すると記載される場合、これはそれが１又は２以上の入口と１又は２以上の出口を有することを意味する。一般に、反応容器が流れを閉じ込めるダクトを有すると記載される場合、これはそれが流れを閉じ込める１又は２以上のダクトを有することを意味する。
【００９２】
図５の代表的な膜反応容器の別の図を、図６に示したとおりに８−８断面でもって示す。この態様では、３つの膜モジュール５０３ａ、５０３ｂ、及び５０３ｃの列をダクト５１１内に並列に取り付ける。酸化剤ガスは、主入口マニホールド５１９、第１の入口マニホールド５２３、及び第２の入口マニホールド５３３ａ、５３３ｂ、及び５３３ｃを通り、膜モジュール５０３ａ、５０３ｂ、及び５０３ｃの入口へ流れる。酸素の減少した酸化剤ガスが、第１の出口マニホールド５４５ａ、５４５ｂ、及び５４５ｃ（第２の入口マニホールド５３３ａ、５３３ｂ、及び５３３ｃの後ろ側にある）、第２の出口マニホールド５６１、そして主出口マニホールド５４１ａ及び５４１ｂを経て、膜モジュール５０３ａ、５０３ｂ、及び５０３ｃを出てゆく。図６の態様には３つの並列膜モジュールが示されているが、１つの膜モジュール、２つの並列膜モジュール、あるいは４以上の並列膜モジュールを、所望のとおりに使用することができる。
【００９３】
保護床（図示せず）を圧力容器４１３の入口４１５及び／又は圧力容器５１３への入口５１５に取り付けて、入口流４１７及び／又は５１７から微量の汚染物質を除去してもよい。あるいはまた、保護床は、圧力容器内の入口と第１の膜モジュールとの間に取り付けてもよい。汚染物質は、例えば、イオウ含有、クロム含有、及び／又はケイ素含有の気体種を含むことができる。保護床は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化銅、炭酸カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸ストロンチウム、酸化ストロンチウム、酸化亜鉛、及びアルカリ土類含有ペロブスカイトからなる群より選ばれる１種以上の物質を含有することができる。これらの物質は汚染物質と反応し、反応物ガス又は酸素含有ガスの入口流からそれらを除去する。
【００９４】
追加の圧力容器を圧力容器４１３と直列に、一方の容器からの出口ガスが他方の容器に供給されるように、取り付けてもよい。追加の容器を並列に配置してもよく、この場合複数の圧力容器が配列且つ直列に運転される。同様に、追加の圧力容器を圧力容器５１３と直列に、一方の容器からの出口ガスが他方の容器に供給されるように、取り付けてもよい。追加の容器を並列に配置してもよく、この場合複数の圧力容器が並列且つ直列に運転される。保護床を、所望に応じて任意の連続した圧力容器の間に配置してもよい。
【００９５】
上述の態様では、内部断熱材を使用して圧力容器４１３及び５１３の壁をそれぞれの膜モジュール４０１〜４０９及び５０１〜５０９の温度よりも低い温度に維持するのが望ましい。これは、酸素含有ガスから酸素を回収するのに使用される図４Ａと４Ｂの態様について断熱材の構成を説明する図７〜１３のいろいろな断熱材の態様により行うことができる。同様の断熱材の構成（図示せず）を、図５と６の酸化反応器の態様について使用してもよい。
【００９６】
これらの態様のうちの第１のものが図７に示されており、ここでは断熱材７０１が圧力容器７０３の内壁内に配置されていて、この断熱材は内壁と接触してもよい。この態様では、流れを閉じ込めるダクトは用いられず、その代わりに、断熱材自体によって空洞７０５が形成されて、この空洞がガスの流れを膜モジュールの外部領域を通り越して導く働きをする。断熱材は、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃ、第２マニホールド４３３、及び主マニホールド４４５と接触してもよい。
【００９７】
第２の断熱材の構成を図８に示し、ここでは断熱材８０１が圧力容器４１３の内壁に隣接して配置されていて、この断熱材は内壁と接触してもよい。この態様では、流れを閉じ込めるダクト４１１が用いられ、そしてこれは好ましくは断熱材８０１と接触しない。断熱材は好ましくは、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃ、第２マニホールド４３３、及び主マニホールド４４５と接触しない。
【００９８】
第３の断熱材の構成を図９に示し、ここでは断熱材９０１が、圧力容器の内壁と、流れを閉じ込めるダクト４１１、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃ、第２マニホールド４３３、及び主マニホールド４４５の外表面との間の容器の内部領域を完全に充填している。断熱材は、容器の内壁、そして流れを閉じ込めるダクト４１１、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃ、第２マニホールド４３３、及び主マニホールド４４５の外表面と接触してもよい。
【００９９】
もう一つの態様の断熱材の構成を図１０に示し、ここでは断熱材１００１が膜モジュールの周囲に空洞１００３を形成しており、そしてこの空洞がガス流をモジュールの外部領域を通り越して導く働きをする。断熱材１００１は、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃと接触してもよく、そして一般には、圧力容器４１３の内壁とは接触しない。
【０１００】
図１１は、断熱材１１０１が流れを閉じ込めるダクト４１１を取り囲み、そしてそれが上述のように膜モジュールを取り囲む、もう一つの態様の断熱材の構成を示している。断熱材１１０１は、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃと接触してもよく、そして一般には、圧力容器４１３の内壁及び流れを閉じ込めるダクト４１１の外表面とは接触しない。
【０１０１】
もう一つの断熱材の構成を図１２に示し、ここでは断熱材１２０１が流れを閉じ込めるダクト４１１を取り囲み、そしてそれが上述のように膜モジュールを取り囲んでいる。断熱材１２０１は、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃと接触してもよく、一般に流れを閉じ込めるダクト４１１の外表面と接触し、そして一般には圧力容器４１３の内壁と接触しない。
【０１０２】
最後の断熱材の構成を図１３に示し、ここでは断熱材１３０３が流れを閉じ込めるダクト４１１の内壁内に配置されて一般にそれと接触しており、断熱材が膜モジュールの周囲に空洞１３０５を形成して、この空洞がモジュールの外部領域を通り越してガスの流れを導く働きをする。断熱材１３０３は、第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃと接触してもよい。
【０１０３】
図７〜１３の上述の態様のいずれにおいても、金属のマニホールドからセラミックのモジュールへ移行するために第１マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃで一般に金属とセラミックとのシールが使用される。同様に、図６の酸化反応器の態様及び図７〜１３のものと同様の対応の断熱材の態様において、金属のマニホールドからセラミックのモジュールへ移行するために第１マニホールド５３３ａ、５３３ｂ及び５３３ｃで一般に金属とセラミックとのシールが使用される。図１０〜１３の態様（及び酸化反応器のための同様の態様）では、これらのシールは好ましくは、所望のシール運転温度を得るために、断熱材１００１、１１０１、１２０１、及び１３０３内に（マニホールド４２３ａ、４２３ｂ及び４２３ｃと接触しマニホールド４３３とは接触せずに）位置する。
【０１０４】
図７〜１３の態様のいずれでも、追加の断熱材（図示せず）を、例えば運転要員を可能性のある高温の容器表面から保護するために、圧力容器の外表面の周りに配置してもよい。この追加の断熱材は、容器の内部が容器内のガスの露点より確実に高くなるようにする働きをすることもできる。図１０〜１３の態様のいずれでも、追加の断熱材（図示せず）を圧力容器の内表面に隣接して配置することができる。図４Ａ、４Ｂ、及び５〜１３の態様のいずれでも、マニホールドのどれも内部から及び／又は外部から断熱することができる（図示せず）。この断熱は、流れを閉じ込めるダクト４１１とマニホールドの熱膨張の均一性を向上させる働きをする。
【０１０５】
図７〜１３の態様で使用される断熱材は、アルミナ、アルミノケイ酸塩、シリカ、ケイ酸カルシウム、又は高温での使用に適したその他の通常の断熱材料を含有することができる。断熱材は、例えば、繊維状アルミナ、繊維状アルミノケイ酸塩、多孔質アルミナ、及び多孔質アルミノケイ酸塩からなる群より選ばれる１種以上の材料を含むことができる。断熱材自体が膜モジュールの周りに空洞を形成する図７、１０及び１３の態様では、空洞の内壁を、断熱材からの揮発性成分が膜モジュールと接触するのを防止する材料で被覆しあるいは覆うことができる。例えば、空洞をＨａｙｎｅｓ  ２１４などのような金属製の箔でライニングして、断熱材料から発生することがあるＳｉ含有の蒸気種、及び／又は金属の配管材料から発生することがあるＣｒ含有の蒸気種が膜モジュールと接触するのを防ぐことができる。
【０１０６】
断熱材料は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化銅、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸ナトリウム、酸化亜鉛、酸化ストロンチウム、及びアルカリ土類含有ペロブスカイトからなる群より選ばれる１種以上の追加の材料を含むことができ、これらの材料は断熱材の表面へ適用し及び／又は断熱材の全体にわたり分散させることができる。これらの追加の材料は、上述の保護床の代わりに、あるいはそれのほかに、使用してもよい。これらの材料は、反応物ガスの入口流中に存在することがある汚染物質と反応してそれらを除去する。これらの汚染物質には、例えば、イオウ含有、クロム含有、ケイ素含有、又は酸素含有の気体種が含まれる。
【０１０７】
ウエハの群を直列の流れの構成で配置するための別の態様を図１４に示す。この態様では、上述のウエハとスペーサで背の高い積重体を作り、そしてこの積重体を圧力容器１４０１内に取り付ける。入口管路１４０３と出口管路１４０５を、入口ガス１４０８の流れを導いてウエハの群を横切り交替する方向に流れさせ且つ出口管路１４０５を通して出口流１４０９として流れさせるガスマニホールドシュラウドアセンブリ１４０７に接続する。この態様では、積重体をシュラウドアセンブリによって第１のウエハゾーン１４１１、第２のウエハゾーン１４１３、及び第３のウエハゾーン１４１５に分割している。こうして、入口ガス１４０８はウエハゾーン１４１１、１４１３、及び１４１５を横切って直列に流れ、そして管路１４０５を通って出てゆく。説明を目的としてここでは３つのウエハゾーンが示されてはいるが、必要に応じて任意の数のウエハゾーンを使用することができる。
【０１０８】
図１４の態様は、酸素回収装置として、あるいは酸化反応装置として使用することができる。酸素回収装置として使用する場合には、積重体は図１と２Ｂを参照して先に説明したようにウエハとスペーサから製作される。酸素回収プロセスでは、入口ガス１４０８は加熱した昇圧酸素含有ガス（例えば空気）であり、出口ガス流１４０９は酸素の減少した酸素含有ガスであり、出口管路１４１９を流れる流れ１４１７は昇圧した酸素含有ガスより一般に低い圧力の高純度酸素製品流である。酸化反応器システムとして使用する場合には、積重体は図１と２Ａを参照して先に説明したようにウエハとスペーサから製作される。酸化プロセスでは、入口ガス１４０８は加熱した昇圧反応物ガスであり、出口ガス１４０９は酸化反応生成物と未反応の反応物ガス成分との混合物である。流れ１４１７は、昇圧した反応物ガスより一般に低い圧力の酸素の減少した酸素含有ガスである。図２Ａを参照して説明したように内部の積重体マニホールドを通って積重体へ未使用の酸素含有酸化剤ガス（例えば空気）が流入する。このマニホールドへの入口は、それが出口管路１４１９の後方にあるため図１４では見られない。
【０１０９】
図１４の態様は、複数の圧力容器を用いて、所望のとおりに直列及び／又は並列に運転することができる。所望ならば、単一の圧力容器内に複数のモジュールを設置してもよい。
【０１１０】
直列の膜モジュールを、図４Ａ、４Ｂ、５及び６を参照して先に説明したように並列モジュールの列に配列してもよい。これは、流れを閉じ込めるダクト５１１とダクト内の膜モジュールの断面平面図（一定比率ではない）である図１５でもって説明される。この代表的な態様では、３つの並列モジュールの５つの列が、各個別の組の直列モジュールが共通のモジュール軸線上に位置するように、すなわちモジュール５０１ａ、５０３ａ、５０５ａ、５０７ａ、及び５０９ａが同じ軸線上に位置し、モジュール５０１ｂ、５０３ｂ、５０５ｂ、５０７ｂ、及び５０９ｂが同じ軸線上に位置し、そしてモジュール５０１ｃ、５０３ｃ、５０５ｃ、５０７ｃ、及び５０９ｃが同じ軸線上に位置するように、配列される。こうして、この例においては、おのおのの列におけるモジュールの数に等しい、３つの軸線がある。おのおのの列は、並列の複数のモジュールを含み、例えばモジュール５０１ａ、５０１ｂ及び５０１ｃは並列のモジュールの１つの列を構成している。複数のモジュールを直列に配列してもよく、例えば、モジュール５０１ｃ、５０３ｃ、５０５ｃ、５０７ｃ、及び５０９ｃは直列のモジュールを構成する。直列モジュールの定義は、モジュールの列を包含することができ、例えば、モジュール５０１ａ、５０１ｂ及び５０１ｃの列はモジュール５０３ａ、５０３ｂ及び５０３ｃの列と直列になっている。このように、図１５のモジュール構成には直列のモジュールと並列のモジュールが含まれる。
【０１１１】
実際問題として、モジュールの連続した列の間においてガスの実質的に放射方向の混合（すなわち直列のモジュールの軸線からそれる方向のガスの流動）を促進してガスが膜モジュールの周囲をバイパスする悪影響を最小限にすることが望ましことがある。図１５のモジュールの構成は、並列のモジュールと直列に運転する並列モジュールの列を含むとして、最もよく説明することができる。多くのガス流分配システムの設計におけるように、放射方向の混合の度合いは、内部の構成要素（すなわち膜モジュール）間の軸線方向及び放射方向の間隔の適切な選定及び／又はガスの混合を促進するための流動バッフルの使用によって最大にすることができる。
【０１１２】
入口１５０３における入口ガス流１５０１は、モジュールの放射方向に配列した（すなわち並列の）各列を通り越して直列に流動する。モジュール間の軸線方向及び放射方向の間隔を適切に選べば、少量のガスはモジュール５０１ａ、５０１ｂ及び５０１ｃをバイパスするが、それは放射方向で混合し又は拡散しながら最終的には下流のモジュールと接触する。出口ガス流１５０５は出口１５０７を通って流れる。モジュールの各一連の列を通り越えるガスの流れがこの態様の直列の配列を規定し、ここでは並列モジュールの１つの列からのガスの全て又はほぼ全てが直列のモジュールの並列モジュールの次の列と接触する。任意の所望の数のモジュールを放射方向に並列にして使用することができ、また任意の所望の数の並列モジュールの列を軸線方向に直列にして使用することができる。
【０１１３】
図４Ａと４Ｂ又は図５と６に関連する本発明の別の態様では、並列の膜モジュールの列を、３つのモジュールの第一の列の後に３つのモジュールの食い違った（オフセットした）第２の列が直列に続き、その後に３つのモジュールの食い違った第３の列が続く、等々といったように、千鳥状の又は食い違った直列の配列にすることができる。これは図１６で説明され、ここでは３つのモジュール５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃの第一の列の後に流れを閉じ込めるダクト５１１の軸線に対して垂直な方向に食い違った３つのモジュール５０４ａ、５０４ｂ、５０４ｃの第２の列が直列に続いている。３つのモジュール５０６ａ、５０６ｂ、５０６ｃの第３の列は、第２の列に関して食い違っているが、これらのモジュールは第１の列のモジュールと同軸である。この食い違いの関係は、同様の様式でもって、モジュール５０８ａ、５０８ｂ、５０８ｃの第４の列及びモジュール５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃの第５の列を通して継続することができる。おのおのの列は、並列の複数のモジュールを含むことができ、例えば、モジュール５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃは並列のモジュールの１つの列を構成することができる。複数のモジュールを直列に配列してもよく、例えば、モジュール５０２ｃ、５０４ｃ、５０６ｃ、５０８ｃ、及び５１０ｃが直列のモジュールを構成することができる。直列モジュールの定義はモジュールの列を含むこともでき、例えば、モジュール５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃの列はモジュール５０４ａ、５０４ｂ、５０４ｃの列と直列である。このように、図１６のモジュール構成は、直列のモジュールと並列のモジュールを包含する。
【０１１４】
図１６のモジュールは、６つの軸線上にあり、すなわちモジュール５０２ｃ、５０６ｃ、５１０ｃが１つの軸線上にあり、モジュール５０４ｃ、５０８ｃがもう１つの軸線上にある、等々である。これらの軸線は、モジュールを通り越えるガスの全体的な流動方向に対して平行でよい。この態様では、軸線の数はモジュールの各列におけるモジュールの数より多くなる。
【０１１５】
図１６の態様では、入口ガス流１６０１が入口１６０３を通って入り、第１の列のモジュール５０２ａ、５０２ｂ、５０３ｃを通り越えて流れる。このガスのうちの一部はモジュール５０２ａをバイパスすることができるが、放射方向の実質的な混合がなければ、少なくとも、食い違いのモジュール５０４ａと接触する。モジュール５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃの間を流れるガスは、少なくとも、次の一組の食い違ったモジュール５０４ｂ、５０４ｃと接触する。第１の列のモジュール５０２ａから流れるガスのうちの一部は、第２の列の少なくとも２つのモジュール（５０４ａ及び５０４ｂ）と接触する。このようにして、このような食い違いの配列はガスが共通の軸線上の列をなしたものの間の間隙を真っ直ぐにバイパスするのを防止する。その代わりに、モジュールの列中のいずれかのモジュールをバイパスするガスはモジュールの次の列中のモジュールに直接突き当たる。放射方向の有意の混合がなければ、列中のモジュールのうちの１以上のものからのガスのうちの少なくとも一部は次の列中のモジュールのうちの１以上のものと接触し、そしてこれはこの態様におけるモジュールの直列の配列を定義する。
【０１１６】
このように、本発明により直列に配列されたモジュールの定義は、図１５と１６を参照して上で説明した両方の態様を包含する。これらの態様において、モジュールの列の軸線と、直列のモジュールの軸線は、一般に直角でよく、そして直列のモジュールの軸線は、一般に容器を通り抜けるガスの全体的な流動方向と平行でよい。モジュールの列の軸線が直列のモジュールの軸線と一般に直角でない、及び／又は直列のモジュールの軸線が容器を通り抜けるガスの全体的な流動方向と一般に平行でない、別の態様が可能である。これらの別態様においては、モジュールの列は容器を通り抜けるガスの全体的な流動方向に対し鋭角に位置する。これらの別態様は、本発明による直列に配列したモジュールの定義に包含される。
【０１１７】
上述の直列の反応器システムは、天然ガスなどのような炭化水素含有原料ガスから合成ガスを製造するための酸化用途で使用することができる。この用途では、改質触媒を任意の直列のモジュールの間、任意の並列のモジュールの間、任意の直列及び並列のモジュールの間に、及び／又は容器内の最終のモジュールの後に、配置することができる。改質触媒は、水及び／又は二酸化炭素と炭化水素、特にメタンとの吸熱反応を促進して、水素と一酸化炭素を発生させる。この触媒は、モジュールの活性膜材料の表面に隣接して透過酸素と反応物との間で起こる発熱の酸化反応を補完し又はバランスさせるのに使用してもよい。複数モジュール系列の反応器システムのモジュール間の有利な位置で改質触媒を適切に使用することにより、反応器を横切る温度プロファイルと製品ガス組成を制御して最適な反応器の運転を行うことができる。
【０１１８】
本発明の一つの態様は、複数モジュール系列の酸化反応器システムのモジュール間の適切な触媒の典型的な配置によって説明される。例えば、図１５を参照すると、モジュール５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃの第１の列中の全てのモジュールとモジュール５０３ａ、５０３ｂ、５０３ｃの第２の列との間の空間に触媒５０１ｄ、５０１ｅ、５０１ｆを直列式に配置することができる。あるいはまた、触媒５０１ｄ、５０１ｅ、５０１ｆは、流れを閉じ込めるダクト５１１の内壁の間に連続的に延在してもよい。同様に、モジュールの第２と第３の列、モジュールの第３と第４の列、モジュールの第４と第５の列のいずれか又は全ての間に、あるいは第５の列の後に、触媒を配置してもよい（図示せず）。同じように、図１６の態様のモジュールの食い違いの列のいずれか又は全ての間に、触媒を直列式に配置してもよい。例えば、図１６を参照すると、触媒５０２ｄ、５０２ｅ、５０２ｆを、モジュールの第１と第２の列の間の空間に直列式に配置することができる。あるいはまた、触媒５０２ｄ、５０２ｅ、５０２ｆは、流れを閉じ込めるダクト５１１の内壁の間に連続的に延在してもよい。一般に、触媒は、図１５と１６のモジュールの直列の列のいずれか又は全ての間又は下流に直列式に配置することができる。
【０１１９】
その上に、あるいはそれとは別に、並列モジュールの列中のモジュールの間に触媒を配置してモジュール間を通過するガスの改質反応を促進してもよい。例えば、図１５では、モジュール５０５ａと５０５ｂの間及び５０５ｂと５０５ｃの間に触媒５０５ｄ及び５０５ｅを配置することができる。あるいはまた、触媒５０５ｄと５０５ｅは、モジュールの第１の列から第５の列までの間の軸線方向に連続的に延在してもよい。例えば、図１６では、モジュール４０６ａと５０６ｂの間及び５０６ｂと５０６ｃの間に触媒５０６ｄ及び５０６ｅを配置することができる。一般に、触媒は、図１５と１６の配列モジュールのいずれか又は全ての間に並列式に配置することができる。
【０１２０】
従って、この概念の最も広い適用において、触媒は、図１５と１６の態様における、あるいは直列と並列のモジュール配置の両方を備えた任意の他の態様における、任意の２つの隣接モジュール間の空間に配置することができる。更に、圧力容器５１３を別の同様の圧力容器と直列に運転する場合には、一方の圧力容器からの流出ガスが触媒を通過してから第２の圧力容器へと進むように、触媒を容器間に配置してもよい。
【０１２１】
触媒は、圧力容器内のモジュール間の軸線方向又は放射方向の位置に応じて、種類及び／又は量を変えることができる。例えば、一つの別態様では、反応器を通してモジュール温度を最適に制御するため軸線方向において触媒活性を変えることができる。例えば、反応器の入口近くの触媒区画は低温において活性である触媒（すなわちＮｉ量が多い）を含むことができ、それに対して反応器のより高温の領域では、最適な触媒組成物は活性がより低くて熱安定性がより高い（すなわちＮｉ量が少ない）ことを必要とされることがある。このようにして、反応器の軸線方向のあらゆる位置において最適な触媒活性を得ることができる一方で、触媒の熱安定性が維持される。このほかの触媒の配列が可能であり、特許請求の範囲に記載される発明の態様の範囲内に含まれる。
【０１２２】
この態様で使用するための触媒は、ニッケル、コバルト、白金、金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム及び鉄からなる群より選ばれる１種以上の金属、又はそれらの金属を含有する化合物を含むことができる。触媒はアルミナ又は他の酸化物担体上に担持してもよく、そして例えばランタン又はカリウムなどの添加物を含んでもよい。触媒は、例えば一体式のものを使用することあるいはモジュール間の空間にはまる適当な触媒ホルダ中の粒状触媒を使用することを含めた、任意の既知の手段によりモジュール間に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の態様による酸素回収で又は酸化方法で使用するための膜ウエハ積重体又はモジュールの模式正面図である。
【図２Ａ】酸化方法で使用するための図１の膜ウエハ積重体又はモジュールの側面図である。
【図２Ｂ】酸素回収で使用するための図１の膜ウエハ積重体又はモジュールの側面図である。
【図３Ａ】図１、２Ａ及び２Ｂの膜ウエハの断面図である。
【図３Ｂ】図１、２Ａ及び２Ｂの膜ウエハのもう一つの断面図である。
【図３Ｃ】図１、２Ａ及び２Ｂの別の膜ウエハの断面図である。
【図３Ｄ】図１、２Ａ及び２Ｂの上記別の膜ウエハのもう一つの断面図である。
【図４Ａ】酸素回収で使用するための膜分離器容器の内部の模式側面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの断面図である。
【図５】酸化方法で使用するための膜反応器容器の内部の模式側面図である。
【図６】図５の断面図である。
【図７】断熱材料の配置を示す図４Ｂの態様である。
【図８】断熱材料の別の配置を示す図４Ｂの第２の態様である。
【図９】断熱材料の別の配置を示す図４Ｂの第３の態様である。
【図１０】断熱材料の別の配置を示す図４Ｂの第４の態様である。
【図１１】断熱材料の別の配置を示す図４Ｂの第５の態様である。
【図１２】断熱材料の別の配置を示す図４Ｂの第６の態様である。
【図１３】断熱材料の別の配置を示す図４Ｂの第７の態様である。
【図１４】酸素回収で又は酸化方法で使用するための別の膜容器及びモジュール配列の内部の模式側面図である。
【図１５】同軸の並列膜モジュールを有する図４の流れを閉じ込めるダクトの断面図である。
【図１６】並列膜モジュールの食い違いの列を備えた流れを閉じ込めるダクトの断面図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１    平面状ウエハ
３、１１    中空スペーサ
７    モジュールの軸線
９    開口部
２００、２１７    ウエハ
２０１、２１５    スペーサ
２０３、２０５、２１９、２２１    開口部
２０７、２０９    ガス流
２１１、２１３    ガス
２２３    酸素含有ガス
２２５    酸素の減少したガス
２２７    高純度酸素製品ガス
４０１、４０３、４０５、４０７、４０９    膜モジュール
４１１    流れを閉じ込めるダクト
４１３    圧力容器
４１５    ダクトの入口
４１７    入口ガス流
４１９    酸素の減少したガス流
４２３、４２５、４２７、４２９、４３１    第１のマニホールド
４２３ａ、４２３ｂ、４２３ｃ    第１のマニホールド
４３３、４３５、４３７、４３９、４４１    第２のマニホールド
４４５    主マニホールド
４４７    高純度ガス生成物流
５０１、５０３、５０５、５０７、５０９    膜モジュール
５１１    流れを閉じ込めるダクト
５１３    圧力容器
５１５    ダクトの入口
５１７    入口ガス流
５１９    主入口マニホールド
５２１、５２３、５２５、５２７、５２９    第１の入口マニホールド
５３１、５３３、５３５、５３７、５３９    第２の入口マニホールド
５４１    主出口マニホールド
５４３、５４５、５４７、５４９、５５１    第１の出口マニホールド
【図１】
2005095866.tif 000003
【図２Ａ】
2005095866.tif 000004
【図２Ｂ】
2005095866.tif 000005
【図３Ａ】
2005095866.tif 000006
【図３Ｂ】
2005095866.tif 000007
【図３Ｃ】
2005095866.tif 000008
【図３Ｄ】
2005095866.tif 000009
【図４Ａ】
2005095866.tif 000010
【図４Ｂ】
2005095866.tif 000011
【図５】
2005095866.tif 000012
【図６】
2005095866.tif 000013
【図７】
2005095866.tif 000014
【図８】
2005095866.tif 000015
【図９】
2005095866.tif 000016
【図１０】
2005095866.tif 000017
【図１１】
2005095866.tif 000018
【図１２】
2005095866.tif 000019
【図１３】
2005095866.tif 000020
【図１４】
2005095866.tif 000021
【図１５】
2005095866.tif 000022
【図１６】
2005095866.tif 000023
【外国語明細書】
2005095866000001.pdf